一种发动机气门弹簧加工方法与流程

allin2023-01-25  9



1.本发明属于汽车发动机技术领域,具体涉及一种发动机气门弹簧加工方法。


背景技术:

2.气门弹簧是发动机的重要部件,其功用是克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力,保证气门及时落座并紧密贴合;随着发动机的升功率和升扭矩等性能提高,对气门弹簧疲劳强度等要求有所提高,以保证发动机正常运行。
3.但是在前期实际生产中,由于气门弹簧生产工序和质量控制等实际因素影响,初期开发出来的f型号发动机气门弹簧,进行发动机500h额定功率台架试验出现早期疲劳断裂现象,导致发动机出现爆压、失火等质量问题。


技术实现要素:

4.针对现有技术中存在的不足,本发明的目的在于提供一种发动机气门弹簧加工方法,提高f型号发动机气门弹簧的质量,解决现有发动机气门弹簧早期疲劳断裂导致发动机爆压和失火等质量问题。
5.为实现上述目的,本发明的技术方案为:一种发动机气门弹簧加工方法,所述加工方法包括:簧丝材料检验

绕制

去应力回火

感应加热淬火、感应加热回火

端面磨削

倒内角

喷丸

点漆

热压

全检

防锈

成品检查

包装;所述簧丝材料检验步骤中,控制簧丝材料中非金属夹杂物含量,提高簧丝用钢的纯净度;所述感应加热淬火步骤中先对气门弹簧采用感应加热,再进行油急冷淬火;所述感应加热回火步骤中先对气门弹簧采用感应加热,再采用空气冷却到室温。
6.进一步的,所述簧丝材料中非金属夹杂物包括a类夹杂物、b类夹杂物、c类夹杂物、d类夹杂物和ds类夹杂物,a类夹杂物、b类夹杂物、c类夹杂物、d类夹杂物和ds类夹杂物的级别均≤0.5。
7.进一步的,所述a类夹杂为物硫化物最小总长度小于38μm,b类夹杂物为氧化铝最小总长度小于17μm,c类夹杂物为硅酸盐最小总长度小于18μm,d类夹杂物为球状氧化物最大数量为1个,ds夹杂物为单颗粒物最小直径为13um。
8.进一步的,所述感应加热所用装置包括:线圈、感应器和电源,线圈缠绕在感应器的外部,气门弹簧放置在感应器中,线圈与电源连接,线圈通电,感应器对气门弹簧进行感应加热。
9.进一步的,所述感应加热淬火具体操作为:将气门弹簧放置在感应器中,接通电源线圈和感应器对气门弹簧进行感应加热,气门弹簧感应加热温度为850
±
10℃,加热时间为15
±
1秒;然后采用油急冷淬火,控制油温为20~60℃,可以彻底消除绕制产生的拉应力,得到硬度高的淬火马氏体金相组织。
10.进一步的,所述感应加热回火具体操作为:将淬火后的气门弹簧感应加热到405
±
15℃,并保温60分钟,再采用空气冷却到室温,回火可以得到较高的弹性极限、强度极限及
疲劳强度,并能保持适当的韧性,促使淬火马氏体析出极细的碳化物,向马氏体晶界聚集,回火后金相组织为回火屈氏体。
11.进一步的,所述感应加热回火后形成的显微组织技术要求为:回火屈氏体等级为1-3级为合格,其中1级为细回火屈氏体,2级为较细回火屈氏体,3级为较粗回火屈氏体;回火屈氏体不允许有全脱碳层,表面脱碳层的最大深度为0.017mm。
12.进一步的,所述气门弹簧表面至次表面300μm以内为压应力,气门弹簧表面压应力大于550mpa,次表面50um处压应力大于750mpa。
13.进一步的,所述气门弹簧所用簧丝材料的化学成分为:c:0.50%~0.60%,si:1.20%~1.60%,mn:0.50%~0.90%,cr:0.50%~0.80%,p:≤0.025%,s:≤0.02%,其余为fe;簧丝硬度为:530~600hv,簧丝抗拉强度1910-2010n/mm2,簧丝断面收缩率≥45%。
14.采用本发明技术方案的优点为:
15.1、本发明通过对簧丝材料中非金属夹杂物类型和含量的控制,提高簧丝用钢的纯净度,减少了非金属夹杂物含量,控制非金属夹杂物性质和要求,从而提高了气门弹簧疲劳强度
16.2、本发明通过增加感应加热淬火、回火工艺,使气门弹簧离表面50μm处压应力从|-922|mpa|增加到|-1045|mpa;气门弹簧离表面300μ位置处的拉应力变成了压应力,能显著提升反复高应力工作环境下气门弹簧的寿命,提高了气门弹簧疲劳强度,气门弹簧疲劳安全系数增加约15%。
附图说明
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
18.图1为断裂气门弹簧示意图;
19.图2为气门弹簧宏观断口示意图;
20.图3为夹杂物位置示意图;
21.图4为夹杂物形态和尺寸示意图;
22.图5为ds类夹杂物1.5级示意图;
23.图6为ds类夹杂物0.5级示意图;
24.图7为感应加热示意图;
25.图8为未增加感应淬火、回火时气门弹簧压力分布示意图;
26.图9为增加感应淬火、回火时气门弹簧压力分布示意图。
27.上述图中的标记分别为:1、线圈;2、感应器。
具体实施方式
28.在本发明中,需要理解的是,术语“长度”;“宽度”;“上”;“下”;“前”;“后”;“左”;“右”;“竖直”;“水平”;“顶”;“底”“内”;“外”;“顺时针”;“逆时针”;“轴向”;“平面方向”;“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位;以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
29.如图1至图9所示,为消除气门弹簧断裂,对气门弹簧断裂原因进行分析:
30.1、断口分析:断裂的第5进气门弹簧见图1,断裂位置在第2圈,断面倾斜,断裂起源于图2箭头内侧处,瞬断区约占整个断面三分之一,瞬断区所占区域大,说明气门弹簧承受负荷大。
31.将断口置于扫描电镜下观察,发现裂源距表面0.15914mm,见图3;断裂源处有单颗粒状夹杂物,直径0.03452mm,见图4;扩展区有疲劳辉纹。
32.2、金相分析:在断口附近取样,抛光态下检查非金属夹杂物,见图5,按照gb/t 10561单颗粒球状(ds)类为1.5级。
33.3、断裂原因:发动机试验过程中气门弹簧第1-3圈受力最大,容易在次表面0.1591mm夹杂物处形成裂纹源,导致弹簧疲劳断裂。
34.经过综合分析认为疲劳断裂的根本原因:气门弹簧本身疲劳强度低,达不到抵抗高应力反复工作环境,加上次表面裂源处有非金属夹杂物共同导致。
35.本发明的一种发动机气门弹簧加工方法可以解决气门弹簧断裂问题,所述加工方法包括:簧丝材料检验

绕制

去应力回火

感应加热淬火、感应加热回火

端面磨削

倒内角

喷丸

点漆

热压

全检

防锈

成品检查

包装;所述簧丝材料检验步骤中,控制簧丝材料中非金属夹杂物含量,提高簧丝用钢的纯净度;所述感应加热淬火步骤中先对气门弹簧采用感应加热,再进行油急冷淬火;所述感应加热回火步骤中先对气门弹簧采用感应加热,再采用空气冷却到室温。本发明的发动机气门弹簧加工方法,提高了f型号发动机气门弹簧的质量,解决现有发动机气门弹簧早期疲劳断裂导致发动机爆压和失火等质量问题。
36.气门弹簧所用弹簧钢丝(简称簧丝)材料牌号为en 10270-2中vd sicr,技术要求如下:
37.1、簧丝化学成分:簧丝牌号vd sicr符合表1规定
38.表1簧丝化学成分(wt%)
[0039][0040]
2、簧丝机械性能:抗拉强度1910-2010n/mm2,断面收缩率≥45%;
[0041]
3、簧丝硬度:530~600hv。
[0042]
簧丝材料中非金属夹杂物包括a类夹杂物、b类夹杂物、c类夹杂物、d类夹杂物和ds夹杂物,a类夹杂物、b类夹杂物、c类夹杂物、d类夹杂物和ds夹杂物的级别均≤0.5。a类夹杂为物硫化物最小总长度小于38μm,b类夹杂物为氧化铝最小总长度小于17μm,c类夹杂物为硅酸盐最小总长度小于18μm,d类夹杂物为球状氧化物最大数量为1个,ds夹杂物为单颗粒物最小直径为13um。
[0043]
严格控制簧丝中非金属夹杂物类型和含量要求,符合表2规定:
[0044]
表2簧丝材料中非金属夹杂物类型和含量
[0045]
非金属夹杂物类型非金属夹杂物级别(gb/t 10561)
a(硫化物)类≤0.5级(最小总长度小于38μm)b(氧化铝)类≤0.5级(最小总长度小于17μm)c(硅酸盐)类≤0.5级(最小总长度小于18μm)d(球状氧化物)类≤0.5级(最大数量1个)ds(单颗粒,直径≥13um)≤0.5级(最小直径13um)
[0046]
通过对簧丝材料中非金属夹杂物类型和含量的控制,提高簧丝用钢的纯净度,减少了非金属夹杂物含量,控制非金属夹杂物性质和要求,从而提高了气门弹簧疲劳强度。
[0047]
感应加热所用装置包括:线圈1、感应器2和电源,线圈1缠绕在感应器2的外部,气门弹簧放置在感应器2中,线圈1与电源连接,线圈通电,感应器2对气门弹簧进行感应加热。
[0048]
簧丝材料检验的具体操作为:簧丝化学成分检验按照gb/t4336方法进行,机械性能检验按照gb/t 228.1方法进行,硬度按照gb/t 4340.1方法进行,非金属夹杂物按照gb/t 10561方法进行。
[0049]
绕制的具体操作为:在卷簧机绕制,目视无锈蚀、破损;旋向右旋。
[0050]
去应力回火的具体操作为:在回火炉回火,回火温度400
±
10℃,保温45分钟,然后采用空气冷却到室温。
[0051]
感应加热淬火具体操作为:将气门弹簧放置在感应器(2)中,接通电源线圈和感应器对气门弹簧进行感应加热,气门弹簧感应加热温度为850
±
10℃,加热时间为15
±
1秒;然后采用油急冷淬火,控制油温为20~60℃,油池停留时间10~20分钟,可以彻底消除绕制产生的拉应力,得到硬度高的淬火马氏体金相组织。
[0052]
感应加热回火具体操作为:将淬火后的气门弹簧进行清洗,清洗后再进行感应加热,感应加热到405
±
15℃,并保温60分钟,然后采用空气分散冷却到室温,回火可以得到较高的弹性极限、强度极限及疲劳强度,并能保持适当的韧性,促使淬火马氏体析出极细的碳化物,向马氏体晶界聚集,回火后金相组织为回火屈氏体。
[0053]
端面磨削的具体操作为:在磨簧机上磨削,磨面角度大小为300
°
~330
°
,用量角器测量;
[0054]
倒内角的具体操作为:在倒角机上倒内角,倒角宽度0.45
±
0.15mm,倒角角度45
±
15
°

[0055]
喷丸的具体操作为:在喷丸机上喷丸,先用钢球直径ф0.7mm喷丸,抛丸时间30分钟;然后用钢球直径ф0.4mm喷丸,抛丸时间15分钟;
[0056]
点漆的具体操作为:在移印机上点漆,色标颜色黄色,色标数量三圈,色标位置侧面中间;
[0057]
热压的具体操作为:在热压机上热压,热压温度260
±
10℃,热压时间15分钟;
[0058]
全检的具体操作为:在检测机上全检,进行安装位置弹力f1(如230
±
9n)、工作位置弹力f2(如510
±
20n)检测;
[0059]
防锈的具体操作为:在油池浸入防锈油dw30x;
[0060]
成品检查的具体操作为:用千分尺进行线径检查,用游标卡尺和插棒进行内径检查,用游标卡尺和套筒进行外径检查,旋向和总圈数(如7.6圈),用测力仪进行安装位置弹力f1和工作位置弹力f2检查;
[0061]
包装的具体操作为:按照包装方案进行包装,目视检查合格。
[0062]
感应加热回火后形成的显微组织技术要求为:回火屈氏体等级为1-3级为合格,其中1级为细回火屈氏体,2级为较细回火屈氏体,3级为较粗回火屈氏体;回火屈氏体不允许有全脱碳层,表面脱碳层的最大深度为0.017mm。表3为jb/t 9129标准规定的回火屈氏体等级。
[0063]
表3回火屈氏体等级
[0064]
等级说明1级细回火屈氏体2级较细回火屈氏体3级较粗回火屈氏体4级粗大回火屈氏体5级回火屈氏体及少量块状铁素体
[0065]
采用本发明的加工的气门弹簧,其表面至次表面300μm以内为压应力,气门弹簧表面压应力大于550mpa,次表面50um处压应力大于750mpa。
[0066]
针对气门弹簧断裂疲劳源起源于表面至次表面300μm处现象,规定气门弹簧表面至次表面300μm以内为压应力(其表面压应力大于550mpa,次表面50um处压应力大于750mpa)来提高气门弹簧抵抗外界载荷能力。
[0067]
采用本发明的加工方法制造的气门弹簧性能表现具体如下:
[0068]
1、气门弹簧所用簧丝中非金属夹杂物:从整改前ds1.5级降低到ds<0.5级,如图5和图6对比,非金属夹杂物达到技术要求;加工出的气门弹簧的显微组织为较细回火屈氏体,对应表3中2级,气门弹簧金相组织合格。
[0069]
2、在气门弹簧“端面磨削”工序前,增加感应加热淬火、回火工艺,感应加热淬火,如图7示意;对采取感应加热淬火、回火与不采取感应加热淬火、回火气门弹簧,经x射线衍射仪-残余应力测试典型数值对比,见表4:
[0070]
表4残余应力测试典型数值对比
[0071]
项目改善前改善后(增加感应加热淬火、回火)离表面距离应力检测数值应力检测数值3μm-576mpa-694mpa50μm-922mpa-1045mpa100μm-1011mpa-1051mpa200μm-226mpa-317mpa300μm105mpa-164mpa
[0072]
注:材料工程上压应力为负值(-),拉应力为正值(+)
[0073]
从表4可以看出:气门弹簧离表面50μm处压应力从|-922|mpa增加到|-1045|mpa,气门弹簧离表面300μ位置处的拉应力变成了压应力。
[0074]
对采取感应加热淬火、回火气与不采取感应加热淬火、回火气门弹簧,应力分布变化见图8和图9对比:气门弹簧离表面50μm处压应力从|-922|mpa|增加到|-1045|mpa;气门弹簧离表面300μ位置处的拉应力变成了压应力,能显著提升反复高应力工作环境下气门弹簧的寿命,提高了气门弹簧疲劳强度,气门弹簧疲劳安全系数增加约15%。
[0075]
经过调整后的合格气门弹簧,按照《气门弹簧装配作业指导书》进行装配,可确保
气门弹簧端面平贴弹簧下座(不允许弹簧倾斜),且搭载f型号发动机500小时额定功率台架试验,未出现早期疲劳断裂现象。
[0076]
以上结合附图对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。

技术特征:
1.一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述加工方法包括:簧丝材料检验

绕制

去应力回火

感应加热淬火、感应加热回火

端面磨削

倒内角

喷丸

点漆

热压

全检

防锈

成品检查

包装;所述簧丝材料检验步骤中,控制簧丝材料中非金属夹杂物含量,提高簧丝用钢的纯净度;所述感应加热淬火步骤中先对气门弹簧采用感应加热,再进行油急冷淬火;所述感应加热回火步骤中先对气门弹簧采用感应加热,再采用空气冷却到室温。2.如权利要求1所述的一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述簧丝材料中非金属夹杂物包括a类夹杂物、b类夹杂物、c类夹杂物、d类夹杂物和ds类夹杂物,a类夹杂物、b类夹杂物、c类夹杂物、d类夹杂物和ds类夹杂物的级别均≤0.5。3.如权利要求2所述的一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述a类夹杂为物硫化物最小总长度小于38μm,b类夹杂物为氧化铝最小总长度小于17μm,c类夹杂物为硅酸盐最小总长度小于18μm,d类夹杂物为球状氧化物最大数量为1个,ds夹杂物为单颗粒物最小直径为13um。4.如权利要求1或2所述的一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述感应加热所用装置包括:线圈(1)、感应器(2)和电源,线圈(1)缠绕在感应器(2)的外部,气门弹簧放置在感应器(2)中,线圈(1)与电源连接,线圈通电,感应器(2)对气门弹簧进行感应加热。5.如权利要求4所述的一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述感应加热淬火具体操作为:将气门弹簧放置在感应器(2)中,接通电源线圈和感应器对气门弹簧进行感应加热,气门弹簧感应加热温度为850
±
10℃,加热时间为15
±
1秒;然后采用油急冷淬火,控制油温为20~60℃,可以彻底消除绕制产生的拉应力,得到硬度高的淬火马氏体金相组织。6.如权利要求5所述的一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述感应加热回火具体操作为:将淬火后的气门弹簧感应加热到405
±
15℃,并保温60分钟,再采用空气冷却到室温,回火可以得到较高的弹性极限、强度极限及疲劳强度,并能保持适当的韧性,促使淬火马氏体析出极细的碳化物,向马氏体晶界聚集,回火后金相组织为回火屈氏体。7.如权利要求6所述的一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述感应加热回火后形成的显微组织技术要求为:回火屈氏体等级为1-3级为合格,其中1级为细回火屈氏体,2级为较细回火屈氏体,3级为较粗回火屈氏体;回火屈氏体不允许有全脱碳层,表面脱碳层的最大深度为0.017mm。8.如权利要求7所述的一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述气门弹簧表面至次表面300μm以内为压应力,气门弹簧表面压应力大于550mpa,次表面50um处压应力大于750mpa。9.如权利要求1所述的一种发动机气门弹簧加工方法,其特征在于:所述气门弹簧所用簧丝材料的化学成分为:c:0.50%~0.60%,si:1.20%~1.60%,mn:0.50%~0.90%,cr:0.50%~0.80%,p:≤0.025%,s:≤0.02%,其余为fe;簧丝硬度为:530~600hv,簧丝抗拉强度1910-2010n/mm2,簧丝断面收缩率≥45%。

技术总结
本发明公开了一种发动机气门弹簧加工方法可以解决气门弹簧断裂问题,所述加工方法包括:簧丝材料检验


技术研发人员:吴贵根 王太海 杨当友 陈光跃
受保护的技术使用者:奇瑞汽车股份有限公司
技术研发日:2022.02.18
技术公布日:2022/7/5
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